【正文】 指導(dǎo)者： 評閱者： XXXX年XX月XX日35畢業(yè)論文中文摘要 題 目：基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要： 本設(shè)計(jì)以AT89S51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。溫度信號由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機(jī)。單片機(jī)通過對信號進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制的目的。 關(guān)鍵詞：AT89S51單片機(jī) DS18B20溫度芯片 溫度控制 串口通訊畢業(yè)論文外文摘要Title Based on Monolithic Integrated Circuit39。s Design AbstractThis design take at89S51 monolithic integrated circuit as core temperature control system39。s way for the monolithic integrated circuit. In the article introduced this control system39。這類控制對象慣性大,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳,甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象?？刂祁I(lǐng)域還大量采用傳統(tǒng)的PID控制方式,但PID控制對象的模型難以建立,并且當(dāng)擾動因素不明確時(shí),參數(shù)調(diào)整不便仍是普遍存在的問題。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個(gè)引腳即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。更能串接多個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行范圍的溫度檢測。具體要求如下: 1. 溫度連續(xù)可調(diào)，范圍為0℃40℃ 2. 超調(diào)量σ%≤20% 3. 溫度誤差≤177。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過設(shè)定溫度的上限時(shí)，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動繼電器開啟降溫設(shè)備 (壓縮制冷器) ，當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度的下時(shí) , 單片機(jī)通過三極管驅(qū)動繼電器開啟升溫設(shè)備 (加熱器) 。 系統(tǒng)中將通過串口通訊連接PC機(jī)存儲溫度變化時(shí)的歷史數(shù)據(jù)，以便觀察整個(gè)溫度的控制過程及監(jiān)控溫度的變化全過程。從而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號，便于單片機(jī)處理及控制。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。由于系統(tǒng)控制方案簡單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡單和成本等因素 ,因此在本設(shè)計(jì)中選用 A TMEL 公司的 A T89S51單片機(jī)作為主控芯片。其主要功能特性： 兼容MCS51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(1000次）ISP Flash ROM 32個(gè)雙向I/O口 2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率033MHz 全雙工UART串行中斷口線 128x8 bit內(nèi)部RAM 2個(gè)外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級加密位 看門狗（WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。AT89S51引角功能說明Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動8個(gè)TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端口。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。表41為P1口第二功能。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流I。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2也接收高位地址和其它控制信號。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。作輸入端口時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。 表42 P3口的第二功能 端口功能第二功能端口引腳第二功能RXD（）串行輸入口T0（）定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入TXD（）串行輸出口T1（）定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入INT0（）外中斷0WR（）外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通INT1（）外中斷1RD（）外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通RST：復(fù)位輸入。WDT益出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。此外，該引腳伎被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，高有兩次有效的PSEN信號。欲使CPU公訪問外部程序存儲器（地址0000H－FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造及功能：特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片內(nèi)空間分存如下圖32所示。而寫這些地址單元將不能得到預(yù)期的結(jié)果。圖42為AUXR輔助寄存器。在使用前初始化DPS。存儲器結(jié)構(gòu)：MCS51單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具有64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。在AT89S51,假如接至Vcc（電源＋），程序首先執(zhí)行從地址0000H－0FFFH（4KB）內(nèi)部程序存儲器，再執(zhí)行地址為1000H－FFFFH（60KB）的外部程序存儲器?？撮T狗定時(shí)器（WDT）：WDT是為了解決CPU程序運(yùn)行時(shí)可能進(jìn)入混亂或死循環(huán)而設(shè)置，它由一個(gè)14bit計(jì)數(shù)器和看狗復(fù)位SFR（WDTRST）構(gòu)成。引腳圖詳見圖44 圖44 AT89S51單片機(jī)引腳圖 5 各單元的設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路,以及專一的復(fù)位功能外,其它的按鍵或鍵盤都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個(gè)按鍵按下。對照圖示的4*4鍵盤，說明線反轉(zhuǎn)法工作原理。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。判斷鍵盤中哪一個(gè)鍵被按下是通過將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。鍵盤共有16個(gè)按鍵，用于方便設(shè)定溫度。當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲。 圖51具體電路連接圖采用溫度芯片DS18B20。 溫度控制器件電路單片機(jī)通過三極管控制繼電器的通斷，最后達(dá)到控制電熱器的目的。溫度慢慢升高。繼電器電路中有一個(gè)三極管8050的保護(hù)電路，即將一個(gè)二極管反向接到三機(jī)管的兩端。圖52 單片機(jī)控制信號其原理是：當(dāng)繼電器突然斷電時(shí)，繼電器產(chǎn)生很大的反向電流。 本部分電路主要使用七段數(shù)碼管和移位寄存器芯片74LS164。由于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率達(dá)到12M，移位寄存器的移位速度相當(dāng)快，所以我們根本看不到數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)?。具體見實(shí)際連線圖如圖53。 串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)，邏輯封裝圖如圖53：圖53邏輯封裝圖引出端符號：CLOCK 時(shí)鐘輸入端；CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效）；A，B 串行數(shù)據(jù)輸入端；QA－QH 輸出端。由于電腦串口rs232電平是10v +10v，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是ttl電平0 +5v,max232就是用來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的,該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA232F電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA232F電平。30V輸入電平低電源電流：典型值是8mA符合甚至優(yōu)于ANSI標(biāo)準(zhǔn) EIA/ESD保護(hù)大于MILSTD883（方 法3015）標(biāo)準(zhǔn)的2000V5 1單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。在本設(shè)計(jì)中采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。其主要原理是把單相交流電經(jīng) 過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。本電路使用集成穩(wěn)壓芯片7805解決了電源穩(wěn)壓問題。鍵盤掃描電路及按鍵處理程序：實(shí)現(xiàn)鍵盤的輸入按鍵的識別及進(jìn)入相應(yīng)的程序。數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。圖71程序結(jié)構(gòu)圖程序開始的時(shí)候先設(shè)置初始化，然后就控制數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度。按下F1進(jìn)入溫度控制點(diǎn)1的程序、按下F2進(jìn)入溫度控制點(diǎn)2的程序。有按鍵按下的時(shí)候進(jìn)入按鍵處理程序。繼電器動作后，程序回到顯示當(dāng)前程序，并開始循環(huán)。測試結(jié)果設(shè)定溫度由0攝氏度到40攝氏度標(biāo)定溫差=1攝氏度 調(diào)節(jié)時(shí)間 15s（具體視現(xiàn)場情況）靜態(tài)誤差= 最大超調(diào)量1攝氏度通過測試分析，對于實(shí)際室內(nèi)的溫度控制，可以再提出以下 2 點(diǎn)方法 ：Ⅰ增加傳感器個(gè)數(shù)，對各個(gè)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行求算術(shù)平均，可得到較為準(zhǔn)確的溫度值。 通過實(shí)驗(yàn)測試和分析，發(fā)現(xiàn)雖然傳感器的溫度采集精度最高可得到 ℃，但測試得到的數(shù)據(jù)最小間隔為 ℃ 。 結(jié) 論在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對溫度控制系統(tǒng)的要求，主要是保證溫度在一定溫度范圍內(nèi)變化，穩(wěn)定性好，不振蕩，對系統(tǒng)的快速性要求不高。本系統(tǒng)的測溫范圍為10℃～40℃，溫度檢測系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的溫度范圍完成一定范圍的溫度控制。同時(shí)也因?yàn)殚_發(fā)環(huán)境友好，易用，方便，大大加快本系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。隨著插入插座的電器的不同，可以實(shí)現(xiàn)許多其它功能的電路。單片機(jī)產(chǎn)品手冊[ED/OL]，17趙娜，趙剛， 單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2007，12：146148。在這三年的求學(xué)生涯中師長、親友給與了我大力支持，在這個(gè)翠綠的季節(jié)我將邁開腳步走向遠(yuǎn)方，懷念，思索，長長的問號一個(gè)個(gè)在求學(xué)的路途中被知識的舉手擊碎，而人生的思考才剛剛開始。大學(xué)時(shí)代的老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。在這里尤其要感謝劉建林老師，從論文題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！ 同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。附錄A：使用說明將溫度控制箱上的開關(guān)全部打到“關(guān)”的位置將溫度芯片插到溫度控制箱的指定位置用串口線將溫度控制箱與計(jì)算機(jī)相連，打開相應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)⒂秒娖鞯牟孱^插到溫度控制箱的插座接上溫度控制箱的電源、并打開開關(guān)。通過鍵盤設(shè)置所需要的溫度，然后按“確定”鍵。從而達(dá)到控制溫度的作用。與F1鍵的使用方法相同。框圖表示：系統(tǒng)開始工作，直至工作結(jié)束，關(guān)閉電源按F1或F2進(jìn)行溫度點(diǎn)1或溫度點(diǎn)2的設(shè)定確認(rèn)溫度控制箱上的開關(guān)全部打到關(guān)的狀態(tài)接上溫度芯片，連接好電路，接上電源，打開開關(guān) 附錄B:程序清單主程序：ORG 0000H 。用于保存讀出溫度的低8位 DS18SH EQU 40H 。是否檢測到DS18B20標(biāo)志位A_BIT1 EQU 31H 。數(shù)碼管十位數(shù)存放內(nèi)存位置D_BIT1 EQU 35HDS18CD1DS18CD8暫存64位ROMDS18CD2 EQU 43H 。30H,31H,32H,33H: X 個(gè)位 十位